超强金属玻璃揭秘：3毫米粗棒可撑起卡车

　　 据美国《连线》杂志报道，目前，美国加利福尼亚理工学院研制一种最新方法制造出“金属玻璃”材料，该材料的硬度和弹性是钛的两倍，用它制造的3毫米直径合成金属棒能够支撑一辆2吨重的卡车，金属棒仅仅出现轻度弯曲，而不像其他金属棒被折断。

　　这种金属材料可潜在用于航天和汽车制造行业，也可以用于电子制造业。其原因是金属原子非常坚硬，许多金属不需要如此强度，使用该材料制造的宇宙飞船和汽车将非常轻。玻璃液最早出现于上世纪50年代。该材料的超强硬度是由于其无序原子结构(因此有“玻璃液”之称)，然而许多金属却是基于一定模型的脆弱水晶原子结构。当该材料处于高压力之下，这种玻璃金属的底侧会变得脆弱易碎。在贯穿玻璃成分中混合了枝状正常的晶体金属结构，这增强了该原子压力承受极限。

　　以下为连线杂志公布的超强金属玻璃制作过程照片：

　　


　　在制造这种金属合成物时，最初采用一个特殊电弧熔化机完全熔化一个样本，破坏其水晶结构并均匀混合其原子，从电极产生的等离子电弧延伸至钛原子，并立即被熔化。目前，该样本已形成有规律的金属玻璃结构，在之后的制作进程中将形成枝状水晶结构。

　　


　　这种等离子电弧熔化机差不多能够熔化包括铍在内的任何类型金属，当铍熔化时，将产生混合气体和形成氧化铍的氧化物的水蒸汽，氧化铍是一种危险的致癌物质。目前包含着少量铍的实验样本在实验室内的等离子弧熔化器中熔化，形成负面的压力可以防止氧化铍“逃溢”。

　　


　　在实验样本溶化时，一块漆黑的黑玻璃会避免明亮的白光使实验者眩目头晕，当这片黑玻璃移除时，难以置信的一道明亮光束会照耀在墙壁上，点亮整个实验室。

　　


　　在等离子电弧加热超过3000开氏温标，这个锭铁状金属玻璃将释放出明亮的橙色，放置金属玻璃的铜底座槽中需要注入冷水，以防止在金属玻璃熔化时铜底座槽出现蒸发。

　　


　　目前，金属玻璃样本合金已熔化放入一个同质玻璃中，可以形成树状结晶合金结构。加利福尼亚理工学院博士生道格拉斯·霍夫曼必须首次确保水流入铜底座槽(用于放置样本)，并且铜底座槽具有隔热效果。

　　接下来，装有实验样本的玻璃真空管和铜底座槽必须抽尽空气，并注入氩惰性气体(图上墙角放置的蓝色瓶)，这将避免实验样本被氧化。最后，霍夫曼手动转动无线电频率感应器的刻度，对铜底座槽上的实验样本加热800-1000摄氏度。

　　


　　无线电频率感应器螺旋管在大约几秒内对实验样本加热800-1000摄氏度，这项进程的目标是在样本的熔点之下加热，使特定一部分样本原子形成水晶结构。这是在水晶结构下建立增强枝状结晶的突破性技术。

　　无线电频率感应器提供200伏特、50安培的电流通过螺旋管，通过感应作用加热实验样本。这个螺旋管自身并不会变热，但是实验样本会明显发热。在加热温度超过电弧熔化机时，无线电频率感应器将提供更多的控制，使科学家可以调整合金详细的成分比例。

　　


　　合成金属玻璃样本在熔化槽内冷却。

　　


　　当一位学生操作失误在实验时忘记开启冷却阀，铜底座槽由于温度过热出现了破裂，铜比其他制造合金的金属拥有更低的熔点，但是由于它有较高等级的导热性，能够将热量传递在水中。在实验中需要经常更换铜底座槽中的水。

　　


　　如图所示，这是准备用于机械测试的几块合成金属玻璃锭铁。

　　


　　扫描电子显微镜正在对实验样本表层结构进行详细拍照，其中就包括由霍夫曼创建的合成金属玻璃材料。

　　


　　显微镜图片显示水晶枝状结晶如何影响合成金属的压力形成，左侧图片是实验样本结合小比例枝状结晶，中部图片是高比例枝状结晶，右侧图片是没有枝状结晶的纯金属玻璃。

　　


　　电子显微镜显示，水晶枝状结晶和玻璃结构的实验样本，水晶枝状结晶在图中被标注为“bcc”，其圆心位置有立方体结构。从而可以对比左上图水晶枝状结晶中有序几何矩阵原子和右上图玻璃结构中随机分子排列。

　　
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